Термическая обработка стали: описание, виды

Термическая обработка стали

Термическая обработка стали позволяет придать изделиям, деталям и заготовкам требуемые качества и характеристики. В зависимости от того, на каком этапе в технологическом процессе изготовления проводилась термическая обработка, у заготовок повышается обрабатываемость, с деталей снимаются остаточные напряжения, а у деталей повышаются эксплуатационные качества.

Так, молекулярная решетка углеродистой стали при температуре не более 910°С представляет из себя куб объемно-центрированный. При нагревании свыше 910°С до 1400°С решетка принимает форму гране-центрированного куба. Дальнейший нагрев превращает куб в объемно-центрированный.

Термическая обработка стали

Сущность термической обработки сталей – это изменение размера зерна внутренней структуры стали.

Строгое соблюдение температурного режима, времени и скорости на всех этапах, которые напрямую зависят от количества углерода, легирующих элементов и примесей, снижающих качество материала.

Во время нагрева происходят структурные изменения, которые при охлаждении протекают в обратной последовательности. На рисунке видно, какие превращения происходят во время термической обработки.

Изменение структуры металла при термообработке

Назначение термической обработки

Термическая обработка стали проводится при температурах, приближенных к критическим точкам . Здесь происходит:

  • вторичная кристаллизация сплава;
  • переход гамма железа в состояние альфа железа;
  • переход крупных частиц в пластинки.

Внутренняя структура двухфазной смеси напрямую влияет на эксплуатационные качества и легкость обработки.

Образование структур в зависимости от интенсивности охлаждения

Основное назначение термической обработки — это придание сталям:

  • В готовых изделиях:
    1. прочности;
    2. износостойкости;
    3. коррозионностойкость;
    4. термостойкости.
  • В заготовках:
    1. снятие внутренних напряжений после
      • литья;
      • штамповки (горячей, холодной);
      • глубокой вытяжки;
    2. увеличение пластичности;
    3. облегчение обработки резанием.

Термическая обработка применяется к следующим типам сталей:

  1. Углеродистым и легированным.
  2. С различным содержанием углерода, от низкоуглеродистых 0,25% до высокоуглеродистых 0,7%.
  3. Конструкционным, специальным, инструментальным.
  4. Любого качества.

Основополагающими параметрами, влияющими на качество термообработки являются:

  • время нагревания (скорость);
  • температура нагревания;
  • длительность выдерживания при заданной температуре;
  • время охлаждения (интенсивность).

Изменяя данные режимы можно получить несколько видов термообработки.

Виды термической обработки стали:

  • Отжиг
    1. I – рода:
      • гомогенизация;
      • рекристаллизация;
      • изотермический;
      • снятие внутренних и остаточных напряжений;
    2. II – рода:
  • Закалка;
  • Отпуск:

Температура нагрева стали при термообработке

Отпуск

Отпуск в машиностроении используется для уменьшения силы внутренних напряжений, которые появляются во время закалки. Высокая твердость делает изделия хрупкими, поэтому отпуском добиваются увеличения ударной вязкости и снижения жесткости и хрупкости стали.

1. Отпуск низкий

Для низкого отпуска характерна внутренняя структура мартенсита, которая, не снижая твердости повышает вязкость. Данной термообработке подвергаются измерительный и режущий инструмент. Режимы обработки:

  • Нагревание до температуры – от 150°С, но не выше 250°С;
  • выдерживание — полтора часа;
  • остывание – воздух, масло.

2. Средний отпуск

Для среднего отпуска преобразование мартенсита в тростит. Твердость снижается до 400 НВ. Вязкость возрастает. Данному отпуску подвергаются детали, работающие со значительными упругими нагрузками. Режимы обработки:

  • нагревание до температуры – от 340°С, но не выше 500°С;
  • охлаждение – воздух.

3. Высокий отпуск

При высоком отпуске кристаллизуется сорбит, который ликвидирует напряжения в кристаллической решетке. Изготавливаются ответственные детали, обладающие прочностью, пластичностью, вязкостью.

Отжиг стали

Режимы обработки:

Нагревание до температуры – от 450°С, но не выше 650°С.

Отжиг

Применение отжига позволяет получить однородную внутреннюю структуру без напряжений кристаллической решетки. Процесс проводят в следующей последовательности:

  • нагревание до температуры чуть выше критической точки в зависимости от марки стали;
  • выдержка с постоянным поддержанием температуры;
  • медленное охлаждение (обычно остывание происходит совместно с печью).

1. Гомогенизация

Гомогенизация,  по-иному отжиг диффузионный, восстанавливает неоднородную ликвацию отливок. Режимы обработки:

  • нагревание до температуры – от 1000°С, но не выше 1150°С;
  • выдержка – 8-15 часов;
  • охлаждение:
    • печь – до 8 часов, снижение температуры до 800°С;
    • воздух.

2. Рекристаллизация

Рекристаллизация, по-иному низкий отжиг, используется после обработки пластическим деформированием, которое вызывает упрочнение за счет изменения формы зерна (наклеп). Режимы обработки:

  • нагревание до температуры – выше точки кристаллизации на 100°С-200°С;
  • выдерживание — ½ — 2 часа;
  • остывание – медленное.

3. Изотермический отжиг

Изотермическому отжигу подвергаются легированные стали, для того чтобы произошел распад аустенита. Режимы термообработки:

  • нагревание до температуры – на 20°С — 30°С выше точки ;
  • выдерживание;
  • остывание:
    • быстрое – не ниже 630°С;
    • медленное – при положительных температурах.

4. Отжиг для устранения напряжений

Снятие внутренних и остаточных напряжений отжигом используется после сварочных работ, литья, механической обработки. С наложением рабочих нагрузок детали подвергаются разрушению. Режимы обработки:

  • нагревание до температуры – 727°С;
  • выдерживание – до 20 часов при температуре 600°С — 700°С;
  • остывание — медленное.

5. Отжиг полный

Отжиг полный позволяет получить внутреннюю структуру с мелким зерном, в составе которой феррит с перлитом. Полный отжиг используют для литых, кованных и штампованных заготовок, которые будут в дальнейшем обрабатываться резанием и подвергаться закалке.

Полный отжиг стали

Режимы обработки:

  • температура нагрева – на 30°С-50°С выше точки ;
  • выдержка;
  • охлаждение до 500°С:
    • сталь углеродистая – снижение температуры за час не более 150°С;
    • сталь легированная – снижение температуры за час не более 50°С.

6. Неполный отжиг

При неполном отжиге пластинчатый или грубый перлит преобразуется в ферритно-цементитную зернистую структуру, что необходимо для швов, полученных электродуговой сваркой, а также инструментальные стали и стальные детали, подвергшиеся таким методам обработки, температура которых не провоцирует рост зерна внутренней структуры.

Режимы обработки:

  • нагревание до температуры – выше точки  или , выше 700°С на 40°С — 50°С;
  • выдерживание – порядка 20 часов;
  • охлаждение — медленное.

Закалка

Закалку сталей применяют для:

  • Повышения:
    1. твердости;
    2. прочности;
    3. износоустойчивости;
    4. предела упругости;
  • Снижения:
    1. пластичности;
    2. модуля сдвига;
    3. предела на сжатие.

Суть закалки – это максимально быстрое охлаждение прогретой насквозь детали в различных средах. Каление производится с полиморфными изменениями и без них. Полиморфные изменения возможны только в тех сталях, в которых присутствуют элементы способные к преобразованию.

Закалка стали

Такой сплав подвергается нагреву до той температуры, при которой кристаллическая решетка полиморфного элемента терпит изменения, за счет чего увеличивается растворяемость легирующих материалов. При снижении температуры решетка изменяет структуру из-за избытка легирующего элемента и принимает игольчатую структуру.

Для увеличения скорости охлаждения стали используются такие среды как:

  • вода;
  • соляные растворы на основе воды;
  • техническое масло;
  • инертные газы.

Сравнивая скоростной режим охлаждения стальных изделий на воздухе, то охлаждение в воде с 600°С происходит в шесть раз быстрее, а с 200°С в масле в 28 раз.

Растворенные соли повышают закаливающую способность. Недостатком использования воды считается появление трещин в местах образования мартенсита.

Техническое масло используется для закалки легирующих сплавов, но оно пригорает к поверхности.

Чтобы полностью избавиться от аустенита, из-за которого у стали наблюдается высокая хрупкость, изделия подвергаются дополнительному охлаждению при температурах от — 40°С и до -100°С в специальной камере. Также можно использовать углекислую кислоту в смеси с ацетоном. Такая обработка повышает точность деталей, их твердость, магнитные свойства.

Если деталям не требуется объемная термообработка, проводится каление только поверхностного слоя на установках ТВЧ (токами высокой частоты). При этом глубина термообработки составляет от 1 мм до 10 мм, а охлаждение происходит на воздухе. В итоге поверхностный слой становится износоустойчивым, а середина вязкая.

Процесс закалки предполагает прогревание и выдержку стальных изделий при температуре, достигающей порядка 900°С. При такой температуре стали с содержанием углерода до 0,7% имеют структуру мартенсита, который при последующей термообработке перейдет в требуемую структуру с появлением нужных качеств.

Нормализация

Нормализация формирует структуру с мелким зерном. Для низкоуглеродистых сталей  — это структура феррит-перлит, для легированных – сорбитоподобная. Получаемая твердость не превышает 300 НВ. Нормализации подвергаются горячекатаные стали. При этом у них увеличивается:

  • сопротивление излому;
  • производительность обработки;
  • прочность;
  • вязкость.

Процесс нормализации стали

Режимы обработки:

  • происходит нагрев до температуры – на 30°С-50°С выше точки ;
  • выдерживание в данном температурном коридоре;
  • охлаждение – на открытом воздухе.

Преимущества термообработки

Термообработка стали – это технологический процесс, который стал обязательным этапом получения комплектов деталей из стали и сплавов с заданными качествами. Этого позволяет добиться большое разнообразие режимов и способов термического воздействия. Термообработку используют не только применительно к сталям, но и к цветным металлам и сплавам на их основе.

Стали без термообработки используются лишь для возведения металлоконструкций и изготовления неответственных деталей, срок службы которых невелик. К ним не предъявляются дополнительные требования. Повседневная же эксплуатация наоборот диктует ужесточение требований, именно поэтому применение термообработки предпочтительно.

В термически необработанных сталях абразивный износ высок и пропорционален собственной твердости, которая зависит от состава химических элементов. Так, незакаленные матрицы штампов хорошо сочетаются при работе с калеными пуансонами.

Источник: http://StankiExpert.ru/spravochnik/materialovedenie/termicheskaya-obrabotka-stali.html

Термический метод обработки металла

Основные свойства и качества металла определяются его структурой. Термическая обработка – наиболее распространенный способ воздействия на материал, который используется для изменения его структуры а, следовательно, и свойств.

Как проводится термическая обработка стали и металлов – основные виды технологического процесса, и для каких целей используется этот вид обработки? Все эти знания можно получить, ознакомившись с основами технологии металлов – отрасли науки, изучающей приемы и способы создания и обработки металлических материалов.

Еще в древние времена мастера кузнецких дел использовали самые примитивные методы закалки. Для этого раскаленный кусок железа погружали в воду, масло или вино. Но время шло, и вместе с опытом развивались и способы закаливания металла.

В начале XIX века хрупкий чугун помещали в емкость со льдом и засыпали сахаром. После процесса нагревания продолжавшегося в течение 20 часов, чугун становился мягким и легко поддавался ковке.

Середина XIX века знаменательна тем, что русский изобретатель металлург Д. К. Чернов совершил выдающееся открытие. Он установил, что при смене температуры металл изменяет свои свойства.

Дмитрий Константинович Чернов стал основоположником науки изучающей свойства металлов –  материаловедения.

В чем заключаются преимущества термообработки?

При проведении термической обработки улучшаются свойства металла, что очень ценно в масштабах современного промышленного производства. К основным преимуществам термообработки можно отнести:

  • повышение износостойкости, а значит продление срока годности изделий из обработанного металла;
  • значительное уменьшение процента бракованных изделий;
  • экономия средств и ресурсов на производстве в результате повышения прочности и улучшения качественных характеристик деталей промышленного оборудования.
Читайте также:  Типы газовых шлангов и их преимущества

Суть термической обработки состоит в соблюдении определенной последовательности технологических операций по нагреву, выдержки и охлаждения металла.

Принципы обработки

Основной принцип – суммарное время термообработки на заготовку равняется времени необходимому на ее нагрев до требуемой температуры, времени выдержки металла под нужной температурой и способа охлаждения.

Время и степень нагрева материала определяется индивидуально, они зависят от нескольких факторов:

  • размера обрабатываемой детали;
  • вида металла;
  • типа печи, в которой обрабатывается заготовка;
  • скорости преобразования свойств материала.

Ознакомиться с основными видами и способами термической обработки можно на примере такого металла, как сталь. В современной промышленности сталь является самым востребованным видом металла. Она используется при изготовлении как массивных конструкций, так и при создании сверхточных инструментов.

Изобретение этого материала стало возможным в результате получения сплава железа и углерода. Содержание углерода в стальном сплаве составляет не более 2,1%. Как производится термическая обработка стальных изделий?

Термическая обработка металлов

Классификация и виды термообработки

Существует несколько видов термической обработки стали:

  • термическая – характеризуется исключительно температурным воздействием на свойства металлов;
  • термомеханическая обработка – сочетание воздействия температуры и пластической деформации заготовки;
  • химико-термическая обработка – представляет собой совокупность температурного воздействия с химическими веществами.

В зависимости от структуры стали, виды термической обработки подразделяются следующим образом:

  • процесс отжига;
  • нормализация;
  • закалка;
  • обработка холодом;
  • отпуск.

Термическая обработка стали проводится для придания металлу свойств, необходимых при промышленной эксплуатации изделий, например, повышенной прочности. А также при технологических процессах, когда термическая обработка является промежуточной операцией, а не завершающей.

Это требуется когда необходимо осуществить понижение твердости стали для последующей обработки. Уменьшение твердости требуется при обработке начальных заготовок из стали. Для обработки же готовых деталей используются процессы, способствующие повышению их прочности, износостойкости и твердости.

Общее определение и виды отжига

В процессе литья, ковки и прочих операций, применяемых для изготовления заготовок, металл приобретает неоднородную структуру, появляются внутренние напряжения.

Неоднородность химического состава отливок вызывает дефекты и для его устранения применяется процесс отжига. Принцип этого способа состоит в том, что заготовку или деталь нагревают до определенной температуры, а затем производится процесс медленного охлаждения.

Отжиг также подразделяется на несколько режимов:

  • отжиг 1-го рода – диффузионный, рекристаллизационный, уменьшающий напряжение металла;
  • отжиг 2-го рода – полный, неполный, изотермический.

Описание отжига 1-го рода

Целью проведения термических операций, относящихся к 1 типу отжига, является устранение неоднородности и неравновесия структуры стали возникших в результате предшествующих технологических обработок. Исходя из состояния заготовки, к нему могут применяться следующие процессы:

  • снятие внутренних напряжений;
  • рекристаллизация;
  • гомогенизация (диффузионный отжиг).

Отжиг 1-го рода применяется по отношению к любому виду металла или сплава, его проведение не влечет за собой какие-либо фазовые превращения. Решающими факторами этого способа термообработки стали являются: высокая температура нагрева и время выдержки металла при этой температуре.

Диффузионный отжиг или гомогенизация

Смысл диффузионного отжига заключается в нагреве заготовки до температуры не менее 1000˚C, выдержке при высоких температурах от 8 до 15 часов и постепенном охлаждении. В результате длительного воздействия нагрева ускоряются диффузионные процессы, благодаря чему структура металла становится более однородной.

При обработке этим методом легированной стали удается добиться ее пластичности, что значительно облегчает ее дальнейшую механическую обработку.

К недостаткам диффузионного метода относится – возможность возникновения следующих побочных эффектов:

  • ухудшение механических свойств стали ввиду роста зерна;
  • появление вторичной неоднородности и пористости;
  • возникновение коагуляции избыточных фаз.

По этой причине гомогенизация считается предварительной обработкой.

После нее рекомендуется провести полный отжиг или нормализацию стали.

Отжиг методом рекристаллизации

В процессе проведения холодной пластической деформации в структуре стали может возникнуть неоднородность, а также изменения размеров и формы кристаллов и рост внутреннего напряжения металла.

Для устранения подобных явлений применяется рекристаллизационный способ отжига. Рекристаллизационный отжиг может быть двух видов: упрочняющий и смягчающий.

Упрочняющий вид отжига применяется для улучшения упругости таких деталей, как мембраны или пружины.

В промышленности рекристаллизационный тип отжига применяется в качестве предварительной обработки перед обработкой металла методом холодного давления, а также для окончательной обработки деталей для закрепления необходимых свойств.

Уменьшение напряжений металла (низкий отжиг)

Остаточное напряжение металла является побочным явлением литья, ковки или некоторых видов термической или механической обработки и способны вызвать разрушение металла. Низкий отжиг применяется для того, чтобы полностью или частично снять эти напряжения.

Метод состоит в том, что отжиг совершается при температурном режиме ниже 700˚C на протяжении примерно 20 часов. Этого времени достаточно для практически полной ликвидации остаточных напряжений.

Промышленная термообработка

Особенности отжига 2-го рода

При обработке стали методами отжига 2-го рода происходит полное или частичное изменение структуры материала. Происходит этот процесс из-за двойной перекристаллизации, благодаря которой размеры зерен уменьшаются, а также происходит устранение внутренних напряжений.

В промышленном производстве этот вид отжига используется при проведении предварительной или окончательной обработки заготовки.

Существуют следующие виды отжига 2-го рода:

  • полный;
  • неполный;
  • сфероидизирующий отжиг;
  • изотермический.

Значение полного отжига

Эта технология применяется для создания мелкозернистой структуры стальных заготовок, произведенных методом ковки, литья или горячей штамповки. В результате обработки материал становится пластичным, исчезает внутреннее напряжение. Сталь приобретает однородную мелкозернистую структуру.

Методом полного отжига обрабатывается сталь, предназначенная для последующей обработки резанием и закаливания изделия.

При проведении полного отжига температура нагрева превышает установленные критические показатели на 40–50˚C.

Процесс неполного отжига

При этом виде термической обработки стали фазовые превращения, как правило, отсутствуют или проявляются в количестве, не имеющем какого-либо влияния на результат. Изделия или заготовки из стали подвергаются нагреву при температурах выше нижнего критического уровня. После выдерживания в нагретом состоянии в течение определенного времени, металл медленно охлаждается.

Отжиг на зернистый перлит (сфероидизация)

Сфероидизирующий отжиг широко используется для термообработки углеродистой и легированной инструментальной стали. Металл нагревается примерно на 30˚C выше критической точки, и выдерживают установленное количество времени.

До 600˚C процесс охлаждения проходит очень медленно в печи, затем сталь остывает на воздухе.

Благодаря такому способу обработки удается получить зернистую (округлую) форму перлита, что значительно облегчает обработку резанием заготовки.

Изотермический отжиг

Суть изотермического отжига стали заключается в накаливании металла, его быстрого охлаждения до определенного температурного уровня и выдержки до распада аустенита.

Далее, охлаждение продолжают на открытом воздухе.

Структура стали при использовании этого метода становится более однородной, как при полном отжиге. Преимущество изотермического способа заключается в том, что по сравнению с полным отжигом весь технологический процесс занимает меньше времени. Изотермическая обработка применяется в основном для отжига небольших изделий – штамповок, заготовок для инструментов.

Нормализация стали

Процесс представляет собой нагрев стали, с небольшой выдержкой в определенном температурном режиме и с последующим охлаждением на воздухе, а не в печи.

Широко используется в качестве промежуточной обработки стали для улучшения структуры металла перед его закалкой, и для его смягчения перед резанием. По своей сути нормализация напоминает процесс отжига.

В основном процесс нормализации применяется для термической обработки углеродистых сталей. В результате отпадает необходимость в закалке стали со средним содержанием углерода.

В ходе обработки наступает полная перекристаллизация стали и устраняется крупнозернистость структуры. А также нормализацию часто применяют для термообработки низкоуглеродистой стали вместо полного отжига. Для стальных сплавов с высоким содержанием углерода полный отжиг необходим.

Закалка стали

Закалка – способ термической обработки стали, в процессе которого производится нагрев металла приблизительно до 900˚C, определенной выдержки и последующего очень быстрого охлаждения. Благодаря такой технологии повышается прочность и износостойкость сплава, и улучшение его других физико-механических характеристик.

Для проведения успешной термической обработки правильный выбор закалочной среды имеет большое значение.

Наиболее часто для проведения закалки используется:

  • вода;
  • солевые растворы;
  • едкие щелочные материалы;
  • технические масла.

Масло один из материалов используемый для закалки металла

Закаливаемость и прокаливаемость стали

Для закалки характерны следующие показатели – закаливаемость и прокаливаемость материала:

  • Закаливаемость определяет твердость, которую приобретает сталь после проведения закалки. Твердость имеет прямую зависимость от содержания углерода в обрабатываемом металле. Например, к материалу с содержанием углерода ниже 0,3% закалка не применяется ввиду ее неэффективности.
  • Прокаливаемость определяет глубину, на которую распространяется область закалки. Этот показатель зависит от химического состава стали, а также от скорости охлаждения. Чем быстрее происходит охлаждение металла, тем глубже прокаливается заготовка. Содержание углерода также имеет влияние на этот показатель – чем выше его содержание, тем больше степень прокаливания. Размер заготовки или детали являются еще одним фактором, определяющим глубину обработки – большим деталям требуется больше времени для остывания, следовательно, и прокаливание распространится на меньшую глубину.

Влияние способов охлаждения на закалку

В зависимости от способа охлаждения стали закалка классифицируется следующим образом:

  • Закалка в одной среде – самый простой и наиболее часто применяемый в промышленности способ термообработки. Главным его недостатком является возможность возникновения внутренних напряжений металла.
  • Закалка в двух средах – при использовании этого метода материал охлаждают попеременно в двух жидкостях. Для процесса могут быть использованы вода и масло.
  • Изотермическая закалка – принцип этого метода аналогичен ступенчатой закалке. Для охлаждения материала используется расплавленная соль или масло. Этот вид закалки широко используется для заколки небольших деталей – шайбы, пружины, болты.
  • Ступенчатая закалка – производится охлаждение изделия с помощью соляного раствора, имеющего температуру 200–300˚C. После определенного периода выдержки проводится окончательное остывание стали на открытом воздухе. Ступенчатая закалка способствует снятию внутренних напряжений и уменьшает возможность появления трещин.

В чем заключается процесс отпуска стали?

Отпуск – это вид завершающей стадии термической отделки стали, во время которого происходит окончательное формирование структуры материала. Процесс отпуска состоит из нагрева до температуры ниже критической точки, за которым следует охлаждение.

Читайте также:  Станки jet: особенности, разновидности, технические характеристики

Сам процесс подразделяется на три вида:

  • Низкий отпуск – происходит при температурном режиме 150–250˚C. При протекании процесса низкого отпуска происходит уменьшение внутренних напряжений и хрупкости металла, а вязкость стали немного повышается. Твердость при этом остается практически неизмененной.
  • Средний отпуск – характеризуется тем, что процесс проходит при температуре от 350 до 450 ˚C. Отличие от других видов отпуска состоит в том, что твердость детали уменьшается, а вязкость значительно увеличивается. Используется для обработки деталей, которые при эксплуатации испытывают умеренные ударные нагрузки.
  • Высокий отпуск – производится при соблюдении температурного интервала от 500 до 650˚C, с последующим постепенным охлаждением. Внутренние напряжения материала при этом практически устраняются. Прочность и пластичность при этом виде обработки имеют высокие характеристики в сочетании с достаточной твердостью металла. Высокий отпуск применяется для углеродистых и легированных видов заготовок, предназначенных для изготовления валов, шестерней.

Криогенная обработка

Отделка холодом также относится к способам термической обработки.

Производится операция после проведения закалки методом охлаждения в специальных криогенных камерах при отрицательных температурах в течение установленного времени.

После этого состояние детали возвращается к комнатной температуре. Криогенная отделка позволяет увеличить износостойкость и прочность изделий, а также повышает стойкость к коррозии.

Из всего вышеизложенного  следует один важный вывод – термообработка стали является неотъемлемой частью современной промышленности.

Видео: Теория термической обработки стали

Источник: https://promzn.ru/obrabotka-metalla/termicheskaya.html

Термическая обработка стали и ее виды

16/10/2015

Сталь считается популярным видом сплавов, который применяется в разных сферах человеческой деятельности. Состоит из двух элементов, соединенных между собой: железа и углерода. Объемные конструкции, оборудования, выполняющие точные, конкретные расчеты создаются именно при помощи этого сплава.

Обработка стали

Стоит обратить внимание на составляющие компоненты и рассмотреть более подробно значимые процессы в образовании вышеупомянутого продукта.

Процесс соединения железа с углеродом происходит в несколько этапов. Добавление углерода (6,67 %). В итоге получается карбид железа (цементит). В обычном, привычном состоянии сама сталь = цементит и феррит.

Непосредственно в процессе активного нагревания цементит растворятся в железе. Важно отметить, что именно концентрация углерода оказывает существенное влияние на некоторые свойства стали.

В том случае, если происходит ее увеличение, то создаваемый продукт оказывается по-настоящему твердым, теряет эластичность.

Определенное количество примесей является составляющим стали. Здесь можно привести некоторые примеры. Специальными веществами, которые оказываются немаловажными добавками, считается кремний и марганец. Концентрация марганца (0,8 %) два раза больше концентрации кремния (0,4%).

Два вышеперечисленных вещества активно повышают такие свойства, как упругость и прочность. Фосфор также улучшает некоторые характеристики стали: она становится менее вязкой и пластичной. Но важно заметить, что он вместе с тем и обеспечивает хладноломкость сплаву в целом.

Виды стали

Сталь бывает разных видов. Огромное количество классификаций этого сплава впечатляет. К примеру, в зависимости от ее состава выделяется:

  • Углеродистые. Углерод, всевозможные примеси, железо.
  • Легированные. Присутствуют разнообразные добавки.

Есть классификация, в основу которой положен критерий концентрации углерода. В связи с этим бывает несколько типов стали:

  • До 0,25 % – низкоуглеродистые.
  • До 0,7 % – среднеуглеродистые.
  • От 07 % – высокоуглеродистые.

Одной из популярных классификаций является типология, в которой базовым понятием считается назначение сплава. Здесь можно говорить о таких примерах:

  • Инструментальные.
  • Конструкционные.
  • Специального, особого назначения.

Кроме того выделяются качественные виды и особо высококачественные варианты.

Значение термической обработки стали

Часто в жизни необходимо по определенным причинам изменить конкретные свойства сплава, для того чтобы усилить или наоборот уменьшить какие-либо характеристики.

Где-то требуется, чтобы продукт в целом был пластичный, иногда же твердый. Термическая обработка стали – это уникальный процесс, в результате которого происходит изменение состава сплава.

Следствием этой процедуры станет придание стали необходимых в данный момент свойств.

Можно обратить внимание на весь процесс, состоящий из нескольких моментов. Сначала происходит плавное нагревание самой заготовки, выдержка, а уже потом ее постепенное охлаждение.

Температура и скорость – это два параметра, влияющие на особенности происходящей работы. В этом случае, нужно запомнить одну важную закономерность. Существует большое количество видов стали. Каждый из них требует особого подхода.

Есть специальные таблицы, рассказывающие об особенностях типов стали.

Термическая обработка стали – это процесс, который имеет несколько видов. Используется: Отжиг, отпуск, закалка, нормализация.

Описание видов термической обработки стали

Перейдем к краткому описанию первого типа из перечисленных выше вариантов. Равновесная структура – это конечный результат процессов нагревания, выдержки, охлаждения имеющихся заготовок.

В этом процессе происходит значимый момент: повышается уровень пластичности сплава. Данная процедура имеет несколько видов, стадий и именно по этой причине пользуется высоким спросом и применяется практически во всех видах деятельности.

Говорить об этом процессе можно бесконечно.

Следует обратить внимание на понятие полного отжига. Этот процесс достаточно уникален и не так сложен, как может показаться на первый взгляд.

Его используются в том случае, когда требуется снизить твердость стали и повысить показатель пластичности. Следующий процесс имеет запоминающееся название – закалка.

В этой процедуре, наоборот, в результате специалисты получают более твердое, отличающееся прочностью вещество. Сталь становится износостойкой, достаточно упругой.

Следующим видом является отпуск. Следует также сказать о нем несколько слов, не пропустив его главное значение. Вещество в целом становится более вязким. Бывает высоким, средним и низким. Твердые, нестабильные структуры в течение короткого промежутка времени превращаются в достаточно стабильные примеры, но пластичные.

Химико-термическая обработка стали в современное время получила широкое распространение, поэтому невозможно на нее не обратить внимание. Она играет главную роль в повышении положительных характеристиках данного сплава. Он становится твердым, прочным и отлично претерпевает всевозможные дефекты и повреждения, устойчив к ним.

Из низкоуглеродистой стали (при вязкой сердцевине) получается твердая поверхность (цементация). Происходит в нескольких фазах, как в жидкой, так и в газовой.

Азотирование – это насыщение азотом определенных слоев элементов. Нитриды – это соединения, которые отличаются высокой стойкостью, прочностью, надежностью. Образовавшийся слой является стойким к появлению коррозии. До 500 градусов может сохраниться это положительное свойство.

Таким образом, можно прийти к небольшому выводу: в данной области существует множество вариантов обработки сплавов. Каждый из них придает стали определенные свойства, все они разные.

Для каких-то процедур необходимый более твердый и прочный сплав, но есть моменты, когда так нужен продукт, обладающий пластичностью и вязкостью. Все зависит от конкретных ситуаций.

Во всех процессах главную роль играет температурный режим и скорость, с которой и происходят все реакции.

Заметка: чтобы провести правильно и без огрехов детский день рождения организация праздника крайне важна. И помочь в этом нелегком деле сможет компания babycenter.com.ua.

Источник: http://a-kranm.com/termicheskaya-obrabotka-stali-i-ee-vidjy.html

Технология термической обработки сталей

Термической называют обработку, связанную с нагревом и охлаждением металла с целью изменения его структуры и свойств. Это воздействие может сочетаться с химическим, деформационным, магнитным и другими видами воздействия.

Термообработка является одним из важнейших звеньев технологического процесса производства полуфабрикатов, деталей машин; применяется как промежуточная стадия для улучшения технологических свойств (обрабатываемости давлением, резанием и т.д.

) и как окончательная операция для придания металлу (сплаву) комплекса механических, физических, химических свойств, которая обеспечивает необходимые эксплуатационные характеристики изделия. Чем ответственней конструкция, тем, как правило, больше в ней термически обработанных деталей.

Температурные режимы термообработки сталей связаны с диаграммой Fе-Fе3С. Равновесные температуры, отвечающие положению линий РSК, GS и SЕ диаграммы, обозначают А1 А3 и Аm соответственно.

При нагреве неравновесные температуры превращений обозначают: перлита в аустенит-Аc1 (линия РSК) превращений, связанных с получением однофазной аустенитной структуры, -Аc3 (для доэвтектоидных сталей) (линия GS), Аcm – (для заэвтектоидных сталей) (линия SЕ).

При обычных скоростях нагрева неравновесные температуры на 30…50 °С выше соответствующих равновесных.

В зависимости от склонности аустенитного зерна при нагреве к росту различают наследственно крупнозернистые (зерно склонно к росту) и наследственно мелкозернистые (зерно не склонно к росту) стали.

Свойства стали, возникшие в результате той или иной обработки, определяются реально образовавшимся зерном – действительным зерном.

Наследственная зернистость должна учитываться при назначении режимов обработки, влияющей на размер получаемого действительного зерна, например, при закалке, отжиге.

Среди видов термической обработки сталей выделяют отжиг (первого и второго рода), нормализа­цию, закалку, отпуск.

Отжигсостоит в нагреве металла, выдержке и последующем медленном охлаждении (вместе с печью). Отжиг приближает металл к равновесию.

Отжиг первого рода проводят для получения более равновесной, чем исходная, структуры, не связывая эту цель с наличием или отсутствием фазовой перекристаллизации. Примерами отжига первого рода являются рекристаллизационный отжиг, диффузионный отжиг.

При рекристаллизационном отжиге деформационно упрочненный металл нагревают несколько выше температурного порога рекристаллизации. В результате отжига материал приобретает такие же механические свойства, какие он имел до деформации.

Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг проводят при нагреве до высоких температур (применительно к сталям – значительно выше Аc3 или Аcm), предполагающих интенсивную диффузию атомов. Такому отжигу подвергают, например, отливки для устранения дендритной ликвации (гомогенизации сплава).

При отжиге второго рода непременно протекает, хотя бы частичная, фазовая перекристаллизация. К отжигу второго рода относятся неполный отжиг, полный отжиг.

При неполном отжиге нагрев ведут до температуры Аc1 (ниже Аc3 или Аcm). Происходит частичная перекристаллизация сплава (меняется перлитная составляющая). Чаще неполный отжиг применяют для заэвтектоидных сталей (сфероидизирующий отжиг).

При полном отжиге сталь нагревают до Аc3 или Аcm. Происходит полная перекристаллизация сплава.

Закалка состоит в нагреве сплавов выше температур фазовых превращений, выдержке при высокой температуре и последующем быстром охлаждения, фиксирующем их высокотемпературное состояние (истинная закалка) или состояние, промежуточное между высокотемпературным и равновесным, характерным для нормальной температуры.

Теоретическая возможность осуществления закалки определяется видом диаграммы состояния системы, которой принадлежит сплав. Необходимо, чтобы при нагреве он испытывал, хотя бы частичную, твердофазовую перекристаллизацию.

Читайте также:  Электродуговая сварка чугуна в домашних условиях

При закалочных скоростях охлаждения диффузионные процессы в металле в значительной степени подавлены, и, следовательно, фазовые превращения не могут не отличаться от равновесных.

(Отставание диффузионных процессов в твердой фазе при неравновесном охлаждении даже при кристаллизации из жидкого расплава приводит к разнородности состава кристаллов в центре и на периферии).

Применительно к сталям нагрев при закалке обычно ведут до температуры Ас3 (доэвтектоидные стали) и Ас1 (заэвтектоидные стали). Если нагрев ведется до температур Аc3 или Аcm, то такая закалка называется полной, если до Аc1 – неполной.

В зависимости от скорости охлаждения существуют два принципиально различных способа закалки – закалка на ферритно-цементитные смеси и закалка на мартенсит. При охлаждении со скоростью ниже критической, т.е.

такой минимальной скорости, которая необходима для образования мартенсита, возникают структуры перлитного типа (перлит, сорбит, троостит, бейнит).

Сорбит и троостит отличаются от перлита и друг от друга степенью дисперсности (троостит дисперснее сорбита, а последний – перлита). Чем структура дисперснее, тем выше ее механические свойства.

Охлаждение со скоростью выше критической ведет к превращению аустенита в мартенсит. Суть превращения состоит в перестройке кристаллической решетки аустенита (ГЦК) в решетку феррита (ОЦК).

При этом углерод, растворенный в аустените, оказывается полностью в решетке феррита. Таким образом, мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в феррите.

Кристаллическая решетка мартенсита – тетрагональная (искаженная решетка феррита с увеличенным параметром с).

Если при полной закалке (полном отжиге) охлаждение нагретой заготовки ведут на спокойном воздухе, то такая термическая обработка называется норма­лизацией.

Большинство легирующих элементов, растворенных в аустените, повышают его временную устойчивость, сдвигая С-образные кривые изотермического превращения аустенита вправо по координатной оси времени. При этом критическая скорость закалки уменьшается. (В сталях мартенситного типа этого уменьшения оказывается достаточно, чтобы уже при нормализации получить мартенситную структуру).

Мартенситное превращение протекает по бездиффузионному, сдвиговому механизму.

Под действием напряжений, возникающих при быстром охлаждении сплава, в кристаллической решетке аустенита происходит сдвиг по плоскостям легкого скольжения {111} с одновременной g — a перестройкой.

Отличительными особенностями мартенситного превращения являются бездиффузионность и ориентированность (пластины мартенсита находятся под определенными углами относительно друг друга в соответствии с расположением плоскостей легкого скольжения в аустените).

Мартенситное превращение не захватывает всю аустенитную структуру. Часть аустенита сохраняется в закаленной стали. Такой аустенит называют остаточным. Количество остаточного аустенита определяется режимами термической обработки и зависит от температур начала и конца мартенситного превращения.

Мартенсит – самая твердая структура, образующаяся при термообработке сталей. Чем больше в нем углерода, тем он тверже.

Заэвтектоидные стали, в отличие от доэвтектоидных, подвергают неполной закалке. Это объясняется тем, что избыточная фаза заэвтектоидных сталей (цементит) обладает высокой твердостью, и наличие дисперсных включений цементита повышает износостойкость стали.

Нагрев до Аcm привел бы к растворению цементита и, кроме того, к укрупнению аустенитного зерна, а, следовательно, к возникновению после закалки структуры крупноигольчатого мартенсита, обладающего пониженными механическими свойствами.

Если неполной закалке подвергнуть доэвтектоидную сталь, то избыточная фаза (феррит), имеющая малую твердость, понизит механические свойства закаленного сплава.

Температура начала мартенситного превращения не зависит от скорости охлаждения, а определяется составом сплава. Углерод и большинство легирующих элементов сдвигают точки начала и конца превращения к более низким температурам.

Мартенсит – термодинамически неустойчивая структура. Нагрев, повышая подвижность атомов, приводит к образованию более устойчивых структур (троостит, сорбит, перлит). С повышением температуры снижается твердость и возрастает пластичность сплава.

Большинство легирующих элементов сдерживают мартенситное превращение, сдвигая его в область более высоких температур.

Следует различать термины “закаливаемость” и “прокаливаемость”. Закаливаемость – это способность металла повышать твердость при закалке. Прокаливаемость – это глубина, на которую распространяется закаленная область. При сквозной прокаливаемости свойства материала однородны и достаточно высоки по всему сечению.

Количественно прокаливаемость оценивается критическим диаметром, под которым понимают наибольший диаметр прутка, прокаливающегося насквозь (в центре возникает полумартенситная структура, состоящая на 50 % из троостита и на 50 % из мартенсита) в данном охладителе.

Чем больше скорость теплоотвода (охлаждения), тем на большую глубину прокаливается изделие. Поэтому критический диаметр при охлаждении в воде больше, чем в масле, и тем более больше, чем на воздухе. Особенно сильно увеличивают прокаливаемость сталей легирующие элементы (кроме кобальта), растворенные в аустените.

Критический диаметр зависит от критической скорости закалки. Чем скорость меньше, тем больше диаметр.

Термическая обработка, состоящая в нагреве закаленной стали до температуры ниже А1, выдержке и последующем охлаждении с произвольной скоростью, называется отпуском. Чем выше нагрев, тем в большей степени структура приближается к равновесной. Различают три вида отпуска: низкий (t = 150 … 250 °С), средний (t = 350 … 500 °С) и высокий (t = 500 … 680 °С).

Сочетание закалки и высокого отпуска называют улучшением, а стали, предназначенные для такой обработки (среднеуглеродистые стали) – улучшаемыми.

В некоторых случаях нагрев при отпуске заменяют длительной выдержкой при нормальной температуре. Такая обработка называется старением. Если старение проводят с небольшим нагревом, то его называют искусственным.

Обычно при среднем отпуске образуется трооститная структура, при высоком – сорбитная. От одноименных структур закалки троостит и сорбит отпуска отличается тем, что цементитные частицы в них имеет зернистую форму (в структурах закалки – пластинчатую).

Дата добавления: 2016-09-06; просмотров: 2944;

Источник: https://poznayka.org/s59354t1.html

Лекция Основы термообработки стали Понятие о термической обработке Термическая обработка один из.html

Работа добавлена на сайт samzan.ru: 2016-01-17

PAGE  10

EMBED Word.Document.8 s

Лекция   Основы термообработки стали

Понятие о термической обработке

Термическая обработка – один из эффективных и экономичных методов упрочнения металлов и металлических сплавов. Научное объяснение процессов термической обработки впервые было дано русским ученым Д.К. Черновым во второй половине XIX в.

При термической обработке в результате теплового воздействия из меняется структура сплава и, следовательно, его свойства.

Сталь с низкой твердостью и прочностью после термической обработки может получить высокие прочностные характеристики (прочность увеличивается в 2 – 3 раза).

И наоборот, твердая сталь, с трудом поддающаяся обработке резанием и давлением, может стать мягкой, пластичной и хорошо обрабатываться.

Под действием термической обработки меняются также химические и физические свойства, например, теплопроводность, магнитные свойства, коррозионная стойкость стали. Состав сплавов при термической обработке остается без изменения, практически не изменяются и линейные размеры обрабатываемых деталей.

Виды термической обработки сталей

Основными видами термической обработки, изменяющими структуру и свойства стали, являются отжиг, нормализация, закалка, отпуск (старение) и обработка холодом. Отжиг и нормализацию относят к предварительной термической обработке, а закалку, отпуск и обработку закаленной стали холодом – к окончательной.

Большинство структурных изменений, имеющих место при термической обработке сталей и сплавов, непосредственно связано с процессами, описываемыми диаграммой железо-цементит. Поэтому выбор технологических режимов термической обработки в большинстве случаев обусловлен положением линий на диаграмме.

Любой процесс термической обработки металла состоит из нагрева до заданной температуры, выдержки и охлаждения. Он схематически показан на (рис. 1). Длительность нагрева и выдержки изделия (детали) при заданной температуре зависит от вида нагревающей среды; формы изделия, его теплопроводности, а также от времени, необходимого для завершения структурных превращений.

Рис. 1 – Графическое изображение термической обработки: tmах – температура нагрева, τн, τс, τо – продолжительность нагрева, выдержки и охлаждения соответственно; Vист – истинная скорость охлаждения, определяемая тангенсом угла наклона касательной к кривой охлаждения

Время выдержки в нагревательных печах можно ориентировочно определить по следующей формуле: в=[D(), где D() – диаметр (толщина) изделия. Скорость охлаждения выбирают в зависимости от вида термической обработки, назначения изделий, подвергающихся термообработке, и химического состава стали. Скорость охлаждения изменяют подбором сред с разной охлаждающей способностью.

Отжиг и нормализация

Отжиг – вид термической обработки, состоящий из нагрева стали до определенной температуры в зависимости от вида отжига, выдержки и последующего, как правило, медленного охлаждения (в печи или в золе) для получения более равновесной структуры.

Отжиг проводят для улучшения обрабатываемости резанием и давлением, снижения твердости, увеличения пластичности и вязкости, снятия внутренних напряжений. На практике применяют следующие виды отжига: полный, неполный, диффузионный, рекристаллизационный и отжиг для снятия остаточных напряжений.

Полный (смягчающий) отжиг заключается в нагреве стали до температур на 30 – 500 С выше критических точек Ас3 (линия GS) диаграммы Fe – Fe3С, в выдержке с последующим медленным охлаждением с печью со скоростью 20 – 500 С/ч.

Этому виду отжига подвергают доэвтектоидную (конструкционную) сталь для создания мелкозернистой структуры, что способствует повышению вязкости, снижению твердости и повышению пластичности, а также снятию внутренних напряжений (например, в зоне сварного шва).

При нагреве крупная исходная ферритно-перлитная структура доэвтектоидных сталей превращается в мелкую структуру аустенита. При последующем медленном охлаждении из мелкозернистого аустенита образуется мелкая ферритно-перлитная структура.

Неполному отжигу подвергают заэвтектоидную и эвтектоидную (инструментальные) стали для превращения пластинчатого перлита в зернистый. Заэвтектоидную сталь нагревают до температуры немного выше критической точки Ас1, но ниже Асm (около 7800 С).

При нагреве происходит превращение перлита в аустенит, а кристаллы вторичного цементита частично сохраняются, при этом образуется структура, состоящая из вторичного цементита и аустенита. При последующем медленном охлаждении из аустенита образуется зернистая ферритоцементитная структура, что способствует повышению вязкости, пластичности и снижению твердости стали.

Диффузионный (гомогенизационный) отжиг проводят для выравнивания химического состава фасонных отливок и слитков в основном легированных сталей, у которых неоднородность сильно выражена. Выравнивание химического состава происходит за счет диффузионных процессов, поэтому температура отжига должна быть высокой (1100 – 12000 С).

Отжиг (выдержка) заготовок длится от 8до 15 ч, после этого их охлаждают вместе с печью до 800 – 8500 С в течение 6 – 8 ч и переносят для окончательного охлаждения на воздух.

Отжигу для снятия остаточных напряжений подвергают в основном сварные соединения и отливки, нагревая до температур, при которых фазовые превращения отсутствуют, т.е.<\p>

Источник: http://samzan.ru/22911

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector